Профиль крыла
Если попаданец хочет сделать эффективное крыло, ему надо понимать как оно работает.
При отсутствии понимания он может воспользоваться готовыми данными из базы профилей или рецептами вроде:
Толщина крыла у корня, 14% от ширины крыла (хорды), а на концах 12%. Самое толстое место в профиле — 1/3 от передней кромки. Самый обтекаемый угол — 14° (задняя часть капли), чтоб построить этот угол без транспортира, попаданец должен отмерить 4 лаптя горизонтально и один лапоть вертикально, соединить концы линией в треугольник, и «аэросвященный» угол 14° готов). Верхняя задняя кромка крыла, тоже в среднем 14°. Потом всё закруглить, на глаз и профиль готов).
Но без отсутствия понимания происходящих процессов трудно понять причины возникающих проблем — это готовый рецепт катастрофы.
Попробуем изобрести крыло. Для того чтобы самолет не падал нам надо создать силу, противодействующую гравитации. На земле мы можем опереться о твердое тело — это не требует затрат энергии. Но для того чтобы «опереться» на воздух нам надо создать поток, направленный вниз и разгон воздуха потребует постоянных затрат энергии. То есть часть мощности мотора тратится на поддержание самолета в воздухе.
Как посчитать количество необходимой энергии? Допустим мы отбросили вниз 1 кг воздуха со скоростью 10 м/с — мы создали силу достаточную для удержания в воздухе одного килограмма(1 кгс) и, согласно уравнению кинетической энергии, тратим 50 Вт. С другой стороны, для создания той же силы мы можем отбрасывать 10 кг воздуха со скоростью 1 м/с и тратить 5 Вт. Тяга одинаковая, а разница в необходимой мощности десятикратная!
Подъемная сила пропорциональна массе и скорости отбрасываемого воздуха. Но затрачиваемая мощность пропорциональна массе и КВАДРАТУ скорости. Квадратичная функция быстро увеличивается при увеличении аргумента, поэтому нам выгодно отбрасывать как можно большую массу с минимальной скоростью. Именно поэтому вертолеты и планеры с мускульным или солнечным приводом имеют огромные размеры — для увеличения количества отбрасываемого вниз воздуха. Огромные и очень легкие самолеты очень экономичны, но крайне сложны в изготовлении и их огромные размеры мешают им быстро лететь против ветра. Поэтому этот способ увеличения экономичности используется лишь для рекордных конструкций.
Для того чтобы отбрасывать вниз большое количество воздуха самолету нужны большие крылья и большая скорость, но кроме размера и скорости имеет значение и форма крыла. Попробуем сделать крыло из наклонной плоской пластины. На небольших углах(порядка 5°) она работает довольно эффективно, но создает очень маленькую подъемную силу. При увеличении угла пластина начинает работать гораздо хуже. Возникает непонятная сила сопротивления, на преодоление которой расходуется большая часть мощности мотора.
На современном уровне понимания аэродинамики мы не можем объяснить причины возникновения этого сопротивления на языке уравнений. Но численное моделирование и натурные эксперименты показывают что у кромок пластины возникают вихри, на поддержание которых и расходуется добавочная энергия. Это явление называют срывом потока.
Вихри возникают потому что при встрече молекул воздуха с краями пластины под углом им приходится резко менять скорость. Вот и решение проблемы! Изогнем пластину дугой так, чтобы передняя кромка была параллельна потоку. Теперь вихри исчезают и мы получаем отличную подъемную силу при небольших затратах энергии.
Пластина меняет направление потока и снизу и сверху. Снизу — прямо препятствуя прямолинейному движению воздуха и плавно поворачивая поток вниз. Верхний поток «цепляется» за крыло за счет эффекта Коанда — если поток двигается прямолинейно над изогнутой пластиной, то между ним и крылом есть прослойка неподвижного воздуха. Поток уносит частички воздуха из этой прослойки, создавая разрежение. Это разряжение изгибает поток, притягивая его к пластине и заставляя его следовать изгибу пластины.
Но крылья должны держать на себе вес всего самолета. А тонкая пластина легко гнется — попробуйте изогнуть линейку поставив ее плашмя или ребром и вы сразу увидите разницу.
К тому же изогнутая пластина хорошо работает только если ее передняя кромка параллельна набегающему потоку. Но скорость самолета и его вес часто меняются — взлет и посадка, разная загрузка, расход топлива, борьба с нисходящими/восходящими потоками. Нам нужно контролировать подъемную силу и проще всего это сделать меняя угол пластины к потоку(угол атаки), при этом меняется количество и скорость отбрасываемого вниз воздуха. Поэтому нам нужно крыло которое будет хорошо работать на разных углах атаки.
Проблемы создает именно острота кромки. Если поток встречает гладкую поверхность то он менее склонен к образованию вихрей. Вот и решение — соединим две изогнутые пластины буквой V и насадим на открытый конец круглую насадку — мы изобрели крыло! Нижняя поверхность создает избыточное давление, верхняя разрежение.
Внутри такого толстого профиля легко умещаются поддерживающие конструкции, а круглая передняя кромка позволяет менять угол атаки без возникновения срыва потока, которое резко ухудшило бы его характеристики.
Кромку с маленьким закруглением поток не отличает от острой, но слишком большое закругление также создает проблемы — увеличивается его центральная часть, перпендикулярная потоку, и увеличивается сопротивление. При разных размерах крыла и скоростях воздуха оптимальны разные изгибы крыла. Кроме того на разных углах атаки меняется центр приложенной к крылу силы, что может вызвать нестабильность положения самолета, с этим можно бороться усложняя форму крыла. Эти и многие другие тонкости и порождают огромное многообразие используемых в авиации профилей крыла — для каждого конкретного самолета оптимален свой профиль.
Нетрудно заметить что мы объяснили принцип работы крыла ни разу не упомянув про закон Бернулли. Но ведь в большинстве популярных книг работа крыла объясняется именно этим законом!
Такие объяснения опираются на тот факт, что длина верхней поверхности классического профиля больше чем нижней. Проблема в том, что неплохие аэродинамические характеристики показывают плоские профили, у которых разность длин незначительна, например EPPLER 376. Не мешает работать равенство длины путей и симметричным профилям вроде GOE 444 или E474. А профили вроде HAR или GOO 602 это ночной кошмар любителя закона Бернулли. К тому же закон не дает конкретных предсказаний для подъемной силы классического профиля.
Для того чтобы работал закон Бернулли, надо чтобы потоки над и под крылом проходили свой путь за одинаковое время. Но на иллюстрирующей гифке видно что воздуху требуется РАЗНОЕ время, чтобы пролететь сверху и снизу крыла, «частички» воздуха, разошедшиеся перед передней кромкой, вовсе не собираются встречаться у задней кромки(также см. [1], [2]).
В серьезных книгах по аэродинамике вместо закона Бернулли приводят теорему Жуковского, в современных популярных книгах о Бернулли больше не упоминают, но сам факт того что это «объяснение» продержалось так долго неплохо иллюстрирует степень «научности» мышления большинства населения.
Наука заключается не в чтении рецензируемых журналов, и уж тем более не в чтении популярных научных книг. Научное мышление это поддержание в голове нескольких альтернативных моделей и строгий учет того, как они объясняют имеющиеся факты. А главное — это постоянная готовность отринуть опровергнутую модель под давлением новых фактов. Человек, яростно защищающий теорию относительности от эфирщиков, но неспособный привести хотя бы пару примеров теории эфира(например см. Лорентц Теории и модели эфира. 1936) с перечислением их недостатков — это простой фанатик. 
Если попаданец в конец девятнадцатого века начнет рассказывать про современный профиль крыла объясняя его работу законом Бернулли, то умные хроноаборигены создадут ему много проблем неудобными вопросами. Интересно, сколько еще таких несообразностей в нас заложила образовательная система?
Источник: Попаданцев.Нет
